[發明專利]基于HTM40100車銑復合加工中心三維在線防碰撞方法

有效

• 申請號: 201310038051.9
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103076762A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李鵬忠;張為民;李揚;程猛
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G05B19/4061
• 分類號: G05B19/4061
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

1.一種基于HTM40100車銑復合加工中心三維在線防碰撞方法，其特征在于由HTM40100車銑復合加工中心的三維防碰撞系統與西門子SINUMERIK?840D系統組成，HTM40100車銑復合加工中心的三維防碰撞系統，包括輸入模塊(1)、運行模塊(2)、輸出模塊(3)和響應模塊(4)；

（1）輸入模塊

所述輸入模塊(1)包括機床信息輸入模塊(5)、毛坯信息輸入模塊(6)、刀具信息輸入模塊(7)和加工程序段輸入模塊(8)，輸入模塊(1)是防碰撞監測系統的初始化部分，負責將用戶輸入的各項機床設備信息讀入三維防碰撞監測系統中，供三維防碰撞監測系統幾何建模使用；

（1.1）機床信息輸入模塊：由于加工中心的結構復雜，采用三維實體建模技術構造模型，利用ProE和Solidworks三維造型軟件建立加工中心三維模型，并在三維防碰撞系統啟動前利用機床信息輸入模塊將模型導入三維防碰撞系統中；

（1.2）毛坯信息輸入模塊：通過選擇所需加工的毛坯編號，加載相應的毛坯文件及信息；

（1.3）刀具信息輸入模塊：通過與外部的刀具識別系統進行數據交換，將刀庫中的各種加工信息讀入三維防碰撞系統，以對刀具進行幾何造型；

（1.4）加工程序段輸入模塊：對各個加工程序段進行文件管理，并且將當前運行程序段讀入至三維防碰撞系統中，供后續的碰撞報警提示模塊調用；

?（2）運行模塊

運行模塊包括程序監控模塊(9)、加工信息監控模塊(10)和加工仿真模塊(11)，它是三維防碰撞系統的核心模塊，所有的數據信息在這里得到處理并輸出返回值供后續的模塊使用；

(2.1）程序監控模塊：當監控到監控數控系統操作面板上的NC?START按鍵信號被啟動，則三維防碰撞系統也即時啟動，開始進行運動仿真和碰撞檢測運算；

（2.2）加工信息監控：監控數控系統中各個軸的位置信息，當前加工程序段的運行信息以及當前刀具的各種參數信息，通過監控這些信息，便可以獲得虛擬加工中心的仿真數據；

（2.3）加工仿真：加工仿真模塊分為加工幾何建模模塊(17)、加工運動仿真模塊(18)和碰撞干涉檢測模塊(19)，加工幾何建模模塊(17)通過輸入模塊中各零部件的參數在仿真環境中建立整個加工中心的零部件幾何模型，加工運動仿真模塊(18)通過讀取從數控系統中采集到的軸信息的軸半徑和長度相關加工數據，驅動幾何模型進行仿真運動；而碰撞干涉檢測模塊則根據輸入的機床、刀具和工件信息，實時計算碰撞檢測結果并輸出檢測信號；

?（3）輸出模塊

輸出模塊(3)將運行模塊(2)中的加工運動仿真模塊(18)以動畫的形式展示給機床操作人員，輸出碰撞檢測結果至CNC系統中供PLC調用，同時將報警信息輸出至數控系統操作面板上提示操作人員進行處理；包括碰撞檢測信號輸出模塊(12)、碰撞報警提示模塊(13)和加工過程顯示模塊(14)；

（3.1）加工過程顯示模塊：以動畫的形式實時顯示加工運行狀態，方便機床操作人員觀察工件加工情況，有效防止操作人員在對刀時刮傷工件；

（3.2）碰撞檢測信號輸出模塊：循環讀取運行模塊中碰撞干涉檢測的檢測值，將該值寫入到數控系統中的R參數中，供PLC讀取并響應；

（3.3）碰撞報警提示模塊：以報警文件的形式在數控系統中給出報警，自動顯示NC代碼中出錯的位置，提示操作人員修改NC代碼；

（4）響應模塊

響應模塊(4)依據輸出模塊(3)中給出的碰撞檢測信號，控制PLC的啟停，以達到實時響應規避碰撞的基本要求，包括機床停機模塊(15)和斷點保護模塊(16)；

（4.1）機床停機模塊：控制PLC循環讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，一旦檢測到有碰撞發生，整個機床停止運動，包括主軸和進給軸；

（4.2）斷點保護模塊：在程序終止的位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行，縮短加工時間，盡可能提高加工效率；

具體步驟如下：

(1)輸入機床信息輸入模塊、刀具信息輸入模塊和毛坯信息輸入模塊；利用三維造型軟件建立加工中心模型，利用Solidworks繪制的加工中心三維簡化模型；將模型文件保存為STL格式文件，在Solidworks中建立好加工中心的幾何模型后，需要將該模型輸出為STL格式的文件供OpenGL調用，STL文件是表面三角化數據格式文件的簡稱，它將所建模型的表面離散成大量的三角形面片，利用這些三角形面片來逼近真實的三維實體模型；將STL文件導入OpenGL中重構并顯示；完成以上操作后，最后需要在OpenGL中讀入以上保存好的STL文件；至此，基于OpenGL的加工中心幾何建模便已經全部完成，

(2)通過齊次坐標變換建立用來描述機床上各部件相對運動關系的數學模型，即系統虛擬加工中心的運動建模，也就是加工的幾何建模；

(3)在機床各部件運動時，首先進行加工設備信息的輸入，即把機床、刀具以及工件的幾何信息輸入至系統中，基于VB編程語言下，通過SINUMERIK?840D數控系統中的NCDDE服務器可以訪問上述數據，然后設置一個計時器實現軸數據的循環監控，包括加工過程中各軸坐標數據、主軸轉速、進給速度等；然后將各個坐標值的變化量作為每次動畫刷新的偏移量，接著調用OpenGL雙緩存技術進行動畫仿真，經過這樣的循環往復，完成整個加工運動的顯示；

(4)在系統進行運動仿真過程中，同時碰撞檢測部分對機床的運動進行檢測；檢測分為兩部分：一是，刀具與機床部件的碰撞檢測；二是，刀具與工件的碰撞檢測；當兩部分都沒有產生碰撞或碰撞趨勢，仿真終止；否則，通過加工過程顯示部分，以動畫的形式傳給操作人員，同時報警模塊調取加工程序模塊以報警文件的形式在數控系統中給出報警并自動顯示NC代碼中出錯的位置提示操作人員修改NC代碼；另一方面，在系統運動仿真檢測到將要發生碰撞時，循環讀取運行模塊中碰撞干涉檢測的檢測值，寫入到數控系統的R參數中，共PLC讀取并響應；?

(5)?PLC讀取CNC數控系統中存放碰撞檢測結果的值，即R參數，整個機床停止運動，包括主軸和進給軸；在程序終止位置保存斷點信息，以便在恢復運行時從該位置繼續執行。